实验3管路流体阻力的测定

实验三 管路流体阻力的测定

、实验目的

流体流动时的能量损耗(压头损失)，主要由于管路系统中存在着各种阻力。管路中的各种阻 力可分为沿程阻力(直管阻力)与局部阻力两大类。

本实验的目的,就是以实验方法直接测定摩擦系数 入与局部阻力系数Z 二、实验原理

或乙旦

2

U1

Z 2

P 2 2

U 2 H f

m 液柱(2)

g 2g

g

2g

式中,h f ――单位质量流体因流体阻力所造成的能量损失,J kg -1;

若:(1)水作为试验物系，则水可视为不可压缩流体

(2) 试验导管水平装置，则Z i =Z 2；

(3) 试验导管的上下游截面的横截面积相同，则U 1=U 2o 因此(1)与(2)两式分别可简化为：

H f -

-

m 水柱(4)

g

由此可见，因阻力造成的能量损失(压头损失)，可由管路系统的两截面之间的压力差(压头差) 来测定。当流体在圆形直管内流动时，流体因摩擦阻力所造成的能量损失(压头损失),有如下一 般关系式：

J kg -1 (4)

m 水柱⑸

式中;d ――圆形直管的管径，m;l ――圆形直管的长度，m;入一一摩擦系数,［无因次］o

大量实验研究表明，摩擦系数又与流体的密度 P 粘度卩、管径d 、流速u 与管壁粗糙度& 有关。用因次分析的方法，可以得摩擦系数与雷诺数、管壁相对粗糙度

&d 存在函数关系，即

当不可压缩流体在圆形导管中流动时

，在管路系统内任意二截面之间，机械能衡算方程为：

2 U 1 2

F 2

2 U 2

2 h f

Jkg -1(1)

H f

单位重量流体因流体阻力所造成的能量损失

，即压头损失,m 液柱。

h f

F P 2

Jkg -1 (3) h f

丄uL d 2g

f Re,—

d

通过实验测得入与Re数据，可以在双对数坐标上标绘出实验曲线。当Re v2000时,摩擦系数入与管壁粗糙度£无关。当流体在直管中呈湍流时，入不仅与雷诺数有关，而且与管壁相对粗糙度有关。

当流体流过管路系统时，因遇各种管件、阀门与测量仪表等而产生局部阻力，所造成的能量损失（压头损失），有如下一般关系式：

hf 7J kg-1(8)

或H f 2

u m液柱（9）

2g

式中，u -连接管件直管中流体的平均流速，m・s1；

z―- -局部阻力系数［无因次］。

由于造成局部阻力的原因与条件极为复杂，各种局部阻力系数的具体数值，都需要通过实验

直接测定。

三、实验装置

本实验装置如图1所示，主要就是由循环水系统（或高位稳压水槽）、试验管路系统与高位排气水槽串联组合而成，每条测试管的测压口通过转换阀组与压差计连通。压差由一倒置U形水柱压差计显示。孔板流量计的读数由另一倒置U形水柱压差计显示。

图1管路流体阻力实验装置流程

1、循环水泵;

2、光滑试验管;

3、粗糙试验管;

4、扩大与缩小试验管；

5、孔板流量计;

6、阀门;

7、转换阀组;

8、高

位排气水槽。

试验管路系统就是由五条玻璃直管平行排列,经U 形弯管串联连接而成。每条直管上分别配置光滑管、粗糙管、骤然扩大与缩小管、阀门与孔板流量计。每根试验管测试段长度,即两测压口

距离均为0、6m。流程图中标出符号G与D分别表示上游测压口(高压侧)与下游测压口(低压侧)。测压口位置的配置,以保证上游测压口距U 形弯管接口的距离,以及下游测压口距造成局部阻力处的距离,均大于50 倍管径。

作为试验用水,用循环水泵或直接用自来水由循环水槽送入试验管路系统,由下而上依次流经各种流体阻力试验管,最后流入高位排气水槽。由高位排气水槽溢流出来的水,返回循环水槽。

水在试验管路中的流速,通过调节阀加以调节。流量由试验管路中的孔板流量计测量,并由压差计显示读数。

四、实验方法

实验前准备工作:

(1) 先将水灌满循环水槽,然后关闭试验导管入口的调节阀,再启动循环水泵。待泵运转正常后, 先将试验导管中的旋塞阀全部打开,并关闭转换阀组中的全部旋塞,然后缓慢开启试验导管的入口调节阀。当水流满整个试验导管,并在高位排气水槽中有溢流水排出时,关闭调节阀,停泵。

(2) 检查循环水槽中的水位,一般需要再补充些水,防止水面低于泵吸入口。

(3) 逐一检查并排除试验导管与联接管线中可能存在的空气泡。排除空气泡的方法就是,先将转换阀组中被检一组测压口旋塞打开,然后打开倒置U 形水柱压差计顶部的放空阀,直至排尽空气泡再关闭放空阀。必要时可在流体流动状态下,按上述方法排除空气泡。

(4) 调节倒置U 形压差计的水柱高度。先将转换阀组上的旋塞全部关闭,然后打开压差计顶部放空阀,再缓慢开启转换阀组中的放空阀,这时压差计中液面徐徐下降。当压差计中的水柱高度居于标尺中间部位时,关闭转换阀组中的放空阀。为了便于观察,在临实验前,可由压差计项部的放空处,滴入几滴红墨水,将压差计水柱染红。

(5) 在高位排气水槽中悬挂一支温度计,用以测量水的温度。

(6) 实验前需对孔板流量计进行标定,作出流量标定曲线。

实验操作步骤:

(1) 先检查试验导管中旋塞就是否置于全开位置,其余测压旋塞与试验系统入口调节阀就是否全部关闭。检查完毕启动循环水泵。

(2) 待泵运转正常后,根据需要缓慢开启调节阀调节流量,流量大小由孔板流量计的压差计显示。

(3) 待流量稳定后,将转换阀组中,与需要测定管路相连的一组旋塞置于全开位置,这时测压口与倒置U 形水柱压差计接通,即可记录由压差计显示出压强降。

(4) 当需改换测试部位时,只需将转换阀组由一组旋塞切换为另一组旋塞。例如,将G1 与D1 一组旋塞关闭，打开另一组G2与D2旋塞。这时，压差计与G1与D1测压口断开而与G2与D2 测压口接通,压差计显示读数即为第二支测试管的压强降。以此类推。

(5) 改变流量，重复上述操作，测得各试验导管中不同流速下的压强降。